Мечты о глубоком вакууме (часть 1). Диффузионный паромасляный насос: реанимация и немного теории

Тематика вакуумной техники не раз поднималась на просторах Хабра. Например, это статьи про электронный микроскоп в гараже, про магнетронное напыление и даже про самодельную лазерную установку на парах меди. В некоторых из этих статей упоминались паромасляные насосы. Теперь же предлагаю всем интересующимся более пристально взглянуть на устройство и особенности данных насосов.

С чего всё началось

Не так давно я стал обладателем двух ракетных двигателей для ракет класса “авось долетит” диффузионных паромасляных насосов НВДС-100, доставшихся мне чуть дороже чем по цене металлолома. Давно я хотел разжиться такой штукой, поскольку всегда хотел «заглянуть» внутрь работающего насоса. Ещё хотелось попробовать процесс напыления металлов в вакууме, что может быть довольно актуальным при моём увлечении астрономией и кусачих ценах на большие зеркала для телескопов. Хоть вакуумная техника выглядит для меня примерно также как двигатели звездолётов и были большие сомнения, но отличные статьи reactos дали дополнительный стимул к движению в данном направлении. Да и испытываю при виде таких насосов некоторую ностальгию по месту, где я проходил практику в институте (а потом и работал). Это был завод по производству кварцевых резонаторов и генераторов, где в недрах цехов находилось много странных (зачастую уже уникальных) вещей типа рентген гониометров, установок ионно-плазменного травления, паяльников для запаивания сразу десятков резонаторов в вакууме или газовой атмосфере, но самое, на мой взгляд, эпичное — установки вакуумного напыления УВН-71.

Когда идёшь по цеху мимо рядов с установками из которых торчат провода, шланги, периодически вырываются струи белого пара из азотных ловушек и сосудов Дьюара, а сверху, уже много десятилетий подряд, крутятся насаженные на штоки резиновые медведи и зайцы с грустными и очень чумазыми мордами… В общем, незабываемый пейзаж в духе постапокалиптического стимпанка.

Итак, вернёмся же к насосам.

Жизнь у них была суровой, но не беспощадной. Внутри обнаружилось очень много застывшего масла, которое следовало как-то удалить, а в остальном выглядели довольно прилично: уплотнения на месте, корпуса целые, нагреватели греют, а более ничего про них сказать не мог.

Из приятного: на одном из насосов имелся шевронный водоохлаждаемый отражатель или водоохлаждаемая ловушка (я встречал оба названия), предназначенная для снижения количества паров масла попадающих в вакуумную камеру. Штука очень полезная, но снижающая производительность насоса на 20-30%, если верить книгам. Позже был куплен вакуумный затвор. Нужен он для отсекания вход насоса от вакуумной камеры, что позволяет напускать воздух в камеру без выключения насоса (точнее без его охлаждения). Напускать воздух в ещё горячий насос категорически запрещено инструкцией и дальше объясню к чему приводит несоблюдение данного правила.

Отмыть насосы удалось достаточно легко при помощи обычного ацетона, растворившего застывшее мало, как горячая вода сахар. Через три литра ацетона два часа банных процедур выяснилось, что с насоса снимается маслоотражатель (встречал ещё название “холодный колпачок”). До того он держался так крепко, что я поднимал за него насос и был уверен, что это неразборная конструкция. Правда это единственное, что снялось само.

Внутренности насоса удалось извлечь только после прогрева насоса, когда расплавилось застывшее масло. И тут хорошо видно, что алюминиевые детали потеряли свой привычный цвет и покрылись какими-то натёками. К этому вернёмся дальше.

А для тех кто красит нержавейку серебрянкой, в аду будет отдельных котёл!

Немного теории

Прежде чем думать о весёлых стартах, предлагаю разобраться с тем какие вообще бывают насосы и что в них заливают. На сухую же не заработает.

Рабочие жидкости

Для рабочих жидкостей есть несколько важных параметров, которые определяют результат работы насоса:

• Упругость паров при 20°С. Этот параметр, в идеальном случае, определяет предельное остаточное давление, которое можно достичь при использовании такой жидкости.
• Температура кипения, при которой упругость паров равна 1,33 Па (1,10х10^-2мм рт. ст.)
• Температуры вспышки и самовоспламенения. Да, при серьёзном перегреве насоса и прорыве атмосферного воздуха можно получить реактивный двигатель вместо насоса.
• Стабильность против окисления и гидролитическая стабильность. Важный параметр, правда никакого числового выражения обычно не имеет, потому приходится полагаться на прилагательные и сравнительные степени. Собственно, ситуация тут проста. Для пользователя выражается в том, что некоторые масла могут выдержать случайный прорыв атмосферного воздуха при рабочей температуре, а некоторые вообще способны работать при бесклапанных быстроцикличных откачных процессах. Иными словами, способны работать в цикле откачка -> напуск воздуха->откачка.
• Токсичность. Современные рабочие жидкости, если их не пить (а иногда если и выпить), нетоксичны или низкотоксичны. Но проверять стоит.
• В некоторых применениях нужно смотреть на то как ведут себя продукты распада рабочей жидкости и её пары. Не очень приятно, например, если вы хотите работать с парами цезия, а он вдруг лихо реагирует с парами вакуумного масла.

В качестве рабочей жидкости может использоваться:

• ртуть;
• минеральное масло;
• кремнийорганические жидкости;
• сложные эфиры.

Ртуть обладает некоторыми крайне важными преимуществами:

• однородность по составу;
• стойкость к окислению и стабильность;
• высокая упругость пара при рабочей температуре (собственно, от этого показателя зависит максимальное выпускное давление на выходе насоса);
• малая растворимость газов.

Из недостатков, помимо ядовитости её паров, стоит отметить высокую упругость пара при комнатной температуре и это ограничивает предельное остаточное давление на уровне 10^-3 мм рт. ст. (решается установкой азотных ловушек), а также высокую химическую активность. Думаю, что из курса школьной химии все помнят, что ртуть с металлами образует амальгамы. И тут возникает вопрос, а зачем же, при таких-то недостатках, её применяли в насосах? А применяли её в тех местах, где пары ртути являются рабочей средой или в случаях, когда нужна высокая чистота (отсутствие углеводородов) рабочей среды (например в масс-спектрометрах).

С точки зрения хоббийных проектов данная рабочая жидкость представляет скорее исторический интерес. Парортутные насосы вроде Н-5СР-1, Н-10Р или Н-50Р можно вполне найти на территории страны, но использовать их не получится, поскольку найти ртуть марок Р1 или Р2 очень сложно. Разве что подойдут для коллекции.

Минеральные масла вроде ВМ-1, ВМ-5, по некоторым данным являющиеся продуктом дистилляции вазелинового масла, найти гораздо проще. Они дешёвые и в эксплуатации они безопасней. 5 литров ВМ-5С обошлось мне примерно в 1300р, а в насос его требуется 70мл. Правда данные масла обладают не самой большой термической и термоокислительной стойкостью. Иными словами, реагируют с воздухом и образуют смолистый налёт на деталях насоса (на моём насосе это отлично видно). За скорость этого процесса не скажу, но его результат упорно сопротивляется попыткам удаления.

Для бустерных насосов, как требовательных к термической и термоокислительной стойкости масла, выпускается масло ВМ-3, стойко выдерживающее скорости откачки до 5000 л/с. Расплатой за это является низкая упругость пара при 20°С. Всего 1,33*10^-2 Па.

Кремнийорганические жидкости вроде ВКЖ-94АБ, ПФМС-2/5, ФМ-1, DC-705, DC-704 описываются общей формулой вида R[М2SiO]nSiO[МФSiO] mSiR, где R=(СН3)3 или СН3(С6Н5)2, М= СН3, Ф= С6Н5. Обладают, высокой термоокислительной стойкостью. Даже после длительной работы в насосах, при периодическом попадании атмосферного воздуха, кремнийорганические жидкости не образуют смолистых налетов на внутренних деталях насосов. Позволяют получать давления порядка 10^-9 мм рт. ст. без применения глубокого охлаждения и потому на некоторых установках не видно азотных ловушек. Стоят дорого (50 000р за 1 литр вовсе не предел).

Сложные эфиры. Тут могут встречаться изооктиловый эфир или полифениловый эфир (5Ф4Э, Santovac 5, ОС-124) — полимер из бензольных колец, соединённых кислородом. Связи в такой цепочке очень прочные, а потому жидкость очень устойчива к окислению, а также слабо мигрируют в откачиваемый объём. Данные масла также обладают хорошими смазывающими свойствами. Из интересного стоит отметить, что продукты распада Santovac 5 являются электропроводящими (а для DC705 — электроизоляционными). И тоже стоят не дёшево.

Виды насосов

Итак, насос у нас пароструйный. Всего, в зависимости от области рабочих давлений и принципа действия, выделяют три типа пароструйных насосов[1]:

• эжекторные — 760 — 10^-2 мм.рт.ст.;
• бустерные — 10^-1 — 10^-4 мм.рт.ст.;
• диффузионные — ниже 10^-4 мм рт.ст.

Нас интересует только последний, поскольку первые два предназначены для быстрой откачки больших объёмов газа, а мы тут космический вакуум в промышленных масштабах собираемся получать, да и нет их у меня. Но всё-таки посмотрим как они работают.

Эжекторные насосы могут быть водяными, пароводяными, парортутными и паромасляными. С водяным эжекторным насосом многие знакомы из курса школьной химии. Там он проходил под названием водоструйный насос. Уверен, что у некоторых он лежит где-нибудь в ящике стола и ждёт своего часа, когда после постапокалипсиса нужно будет налаживать жизнь (ну а как без насоса-то?).

Применяются такие насосы (эжекторные, а не водоструйный) для откачки больших объёмов газов (и не только газов) при давлениях 760 — 10^-2 мм рт.ст…
Принцип действия такого насоса (картинку взял с одного занятного ресурса) очень прост. В случае парортутного/паромасляного насоса пар повышенного (по сравнению с давлением откачиваемого газа) истекает из сопла в виде турбулентной или ламинарной струи и, попадая в камеру смешения 2, расширяется. Далее всё зависит от скорости истечения струи, её плотности и давления откачиваемого газа. При высокой плотности струи и давлении газа струя имеет турбулентный характер. Некоторая часть газа “захлопывается” завихрениями струи и уносится. Также имеет место вязкостный захват из-за трения граничных слоёв струи и прилегающих слоёв газа. По мере снижения скорости и плотности струи, и давления газа, возрастает роль вязкостного захвата. А при давлении порядка 10^-7 мм рт. ст. механизм захвата становится полностью диффузионным.

Также струя пара является преградой для откачиваемого газа и препятствует его обратному перетеканию в откачиваемый объём. В силу ограниченности запаса кинетической энергии молекул пара струя может выдержать определённый перепад давления (иногда пишут про степень сжатия или давление срыва струи). Для эжекторного насоса, согласно [1, c.12], это примерно 5-10. Одна ступень сферического эжектора в вакууме эжекторного насоса, при выпуске в атмосферу, может откачать до 100-150 мм рт. ст.

В отечественной вакуумной технике парортутные и паромасляные эжекторные насосы встречаются только в виде выходной ступени бустерных и диффузионных насосов. А вот водяные применяются в полную силу, в том числе для организации систем водоснабжения и в нефтедобыче.

Бустерные насосы также применяются для откачки больших объёмов газов, но уже при давлениях в 10^-1 — 10^-4 мм рт. ст. Типичный график зависимости скорости откачки от входного давления:

Область рабочих давлений данных насосов интересна тем, что на верхней границе диапазона работает вязкостный механизм “захвата” газа, а на нижней — процесс диффузии (откачиваемого газа в паровую струю). В связи с этим, для лучшего откачивания, в области высоких давлений струя должна быть достаточно плотной, а при низких — достаточно разреженной. Также надо получить высокое быстродействие во всём диапазоне давлений.

Из-за этого конструкция бустерных насосов получилась…. довольно необычной. Если вы видите что-то среднее между высоковольтными изоляторами (почему-то металлическими), пепелацем и роботом из фантастики 60-х, то это точно бустерный насос. Не верите? Посмотрите на серию насосов БН-, НВБМ- и особо на 2НВБМ-. Например 2НВБМ-630/18000, высотой 2,7м и быстротой действия 18 600л/c, или БН-2000, чуть более скромный по габаритам, производят неизгладимое впечатление.

В книгах по вакуумной технике упоминается, что есть насосы с быстротой действия до 200 000 л/с. Наверняка в таком можно обустроить однокомнатную квартиру с мастерской и запасом еды на три месяца. Хотя, есть и более скромные по габаритам насосы.

Рассмотрим подробнее конструкцию насоса на примере НВБМ-2,5 [1, c.16]. Насос четырёхступенчатый. На трёхспупенчатый паропровод 4 насажены три сопла, напоминающие пляжные зонтики. Под маслоотражателем 2 находится сопло первой ступени, обеспечивающая максимальную быстроту откачки при низком давлении срыва струи. Тут главное захватить как можно больше газа. Вторая ступень должна обеспечить давление под первой ступенью ниже давления срыва струи и т.д. Последней установлена эжекторная ступень, обладающая наибольшим давлением срыва струи и, собственно, задающая максимальное выходное давление (примерно 100 Па).

Обозначения на картинке: 1 — входной фланец; 2 — маслоотражатель; 3 — корпус; 4 — паропровод; 5 — кипятильник; 6 — внутренний нагреватель; 7 — сопло эжектора; 8 — конфузор эжектора; 9 — выходной фланец; 10 — ловушка дисковая;

Одной из отличительных особенностей бустерных насосов является больший, по сравнению с диффузионными, размер испарителя или кипятильника (объём где происходит парообразование) 5, поскольку давление пара требуется на порядок большее чем у диффузионных насосов. А поскольку для работы бустерной ступени НВБМ-2,5 требуется давление ещё большее, чем для работы остальных ступеней, то питание отдельных ступеней паром разделено за счёт установки диафрагм в паропроводе.

Остаточное давление (в документации на бустерный насосы обычно не фигурирует) определяется, в основном, обратным потоком паров рабочей жидкости. И он сильно больше чем у диффузионных насосов. Для бустерных насосов серии 2НВБМ он составляет 0,8 мг/(ч*см2), а для диффузионных серии НВДМ — 4,8*10^-2 мг/(ч*см2). Если наличие углеводородов вашей вакуумной камере критично, то бустерные насосы — не ваш вариант. Но вот если нужно откачивать установку в которой есть значительное газовыделение, да ещё откачивать надо много и постоянно, то это ваш вариант. Вакуумные индукционные и дуговые печи, сушильные шкафы и, если у кого есть, сверхзвуковые аэродинамические трубы — вот основные клиенты этих насосов.

Наконец мы добрались до интересующих нас диффузионных насосов. И тут, казалось бы, можно отделаться фразой, что диффузионный насос похож на бустерный, только корпус у него цилиндрический и эжекторной ступени может не быть, а может и быть, но мелький-мелький.
И если посмотреть на схему насоса [2, c.39], то подобное заявление вполне справедливо, за исключением некоторых отличий. Об этом ниже, а сначала поймём, хоть примерно, что происходит внутри насоса.

Обозначения на картинке: 1 — нагреватель; 2 — кипятильник; 3, 4, 5 — паропроводы; 6 — эжекторное сопло; 7 — сопло третьей ступени; 8 — сопло второй ступени; 9 — сопло первой ступени;

Диффузионные насосы эксплуатируются при давлениях 10^-4 мм рт. ст. и ниже, когда режим течения газа становится молекулярным и можно сказать, что молекулы газа почти не сталкиваются друг с другом и со стенками насоса (после пролёта т.н. диффузионной диафрагмы — зазора между стенками насоса и соплом первой ступени) и можно сказать, что летят они как на картинке справа:
Надеюсь за столь примитивное объяснение меня не забьют ногами. Итак, молекулы газа пролетают через входной патрубок насоса и движутся по направлению к паровой струе. Часть молекул газа отражается обратно, столкнувшись с тяжёлыми молекулами пара, а остальные же молекулы могут быть “захвачены” и увлечены струёй. Причём механизм “захвата” обусловлен диффузионными процессами [1, c.20].Скорость диффузии неравномерна по длине струи: у сопла, где разность концентрации газа в струе и над струёй наибольшая, она больше; по мере удаления от сопла струя пара насыщается газом и скорость диффузии падает.
Струя пара увлекает газ к стенкам насоса, где конденсируется, а газ, получив от струи импульс в направлении откачки, перетекает в узком пристеночном слое к выходному патрубку. В этом деле ему вполне может помогать эжекторная ступень, если есть. Кстати, сопла 7, 8 и 9 называются диффузионными.

Ну а если есть процесс диффузии, то конечно же есть и процесс противодиффузии. Однако этот процесс становится существенным лишь в области низких выходных давлений, где скорость откачки насоса начинает падать. Правда противодиффузией всё не ограничивается и существенную роль начинают играть газы, выносимые паровой струёи из кипятильника насоса (те, что успешно растворились в рабочей жидкости при конденсации пара), а также газовыделение стенок насоса.

График зависимости скорости откачки от входного давления взят из документации на насосы НВДС. Здесь область максимального быстродействия насоса уже более длинная, а дальше следует резкий спад. Естественно, что график получен для насоса работающего с рекомендованной для него рабочей жидкостью и определённой мощностью нагревателя. Если хочется использовать другую рабочую жидкость, то данный график придётся снимать самому, подбирая оптимальный режим работы.

Если посмотреть внутрь корпуса насоса НВДС-100, то на дне можно заметить кольца, похожие на детский лабиринт с шариком. Называется данная конструкция лабиринтным испарителем.

Для чего же он нужен? Во многие диффузионные насосы, по инструкции, положено лить всякую гадость необходимо заливать специальные вакуумные масла (ВМ-1, ВМ-5 и другие), являющиеся смесью разных фракций с различной молярной массой, температурой кипения и т.д. Это вам не сверхчистая ртуть. Однако, для работы разных ступеней насоса необходимы жидкости с разными характеристиками. Для работы первой ступени, определяющей (как и в бустерном насосе) быстроту действия насоса и предельное остаточное давление, нужна жидкость с низкой упругостью пара при комнатной температуре и при рабочей температуре в кипятильнике (для получения струи малой плотности); для выходной ступени, определяющей максимальное выходное давление, упругость пара при комнатной температуре не важна, но нужна как можно большая упругость пара при рабочей температуре, чтобы создать струю высокой плотности.

И вот тут на арену выходит лабиринтный испаритель, а также свойства самих масел, которые при протекании по испарителю подвергаются фракционированию и тяжёлые фракции с малой упругостью пара подаются на первую ступень, а лёгкие фракции с большой упругостью — на последние. В общем, перегонный куб на службе технического прогресса.

Достоинства

Преимущества паромасляных насосов вполне очевидны (по сравнению с другими типами высоковакуумных насосов):

• Простота конструкции. Минимум деталей при полном отсутствии движущихся частей. Никакой замены смазки в подшипниках или самих подшипников, как в турбомолекулярных насосах. И никакого шума.
• Простота эксплуатации. Следи за уровнем масла (на некоторых насосах есть уровнемеры), температурой и охлаждением, и будет тебе счастье. Можно прикрутить простейший регулятор мощности на тиристоре или ПИД регулятор к нагревателю и всё.
• Цена и/или “доставаемость”. Купить диффузионный насос гораздо проще и дешевле чем турбомолекулярный. Про новые молчу, цены на оба типа насосов конские, хоть диффузионный и в несколько раз дешевле.

Недостатки

При заманчивой простоте паромасляных насосов (а ломаться там особо нечему) не обходится без недостатков, проистекающих из достоинств насоса и свойств рабочих жидкостей. Самые существенные:

• Миграция паров рабочей жидкости. Если ваша система очень чувствительна к наличию углеводородов, то к этому пункту следует отнестись особо серьёзно. Обычно данную проблему решают установкой водоохлаждаемых ловушек (или охлаждаемых жидким азотом), а также вакуумными затворами, отсекающими вакуумную камеру от насоса в момент его остановки и запуска, ибо именно в эти моменты происходит увеличение обратного потока рабочей жидкости. Из хорошего — паспортных значений этот показатель достигает именно в момент запуска и остановки насоса, а во время работы он меньше примерно в два раза (при нормальной работе в области максимального быстродействия).
• Осмоление паропроводов и сопел. Очень коварная штука, поскольку не видна снаружи. Возникает из-за окисления рабочей жидкости откачиваемым газом. При напуске воздуха в разогретый насос идёт особо интенсивно. Проявляется, как следует из названия, в виде смолистых отложений на внутренних частях насоса. Данные отложения изменяют теплоёмкость и теплоотдачу сопел с паропроводами. Это приводит к тому, что в насосе создаются условия для конденсации пара и возникает т.н. влажный пар, что сразу же негативно влияет на предельное остаточное давление. Потому держите свои насосы в чистоте)
• Необходимость охлаждения разных частей насоса. Сложно сказать недостаток ли это, но точно не всегда удобно. Насос нужно охлаждать, ловушки тоже. И простой водой иногда не обойтись, а нужно ещё и жидкий азот подливать. За охлаждением нужно следить и вовремя отключать насос, если вдруг перестала поступать охлаждающая жидкость. Иначе можете получить плевок горячим маслом в вакуумируемый объём или форвакуумный насос. Стоит отметить, что существуют насосы с принудительным воздушным охлаждением, правда не слишком большой мощности.
• Для работы бустерных и диффузионных насосов необходим форвакуумный насос. Да, без него никуда. Правда это не недостаток, а скорее общее свойство высоковакуумных насосов и не только паромасляных
• Попадание масла от форвакуумного насоса в диффузионный/бустерный насос ведёт к ухудшению характеристик последнего, а потому стоит ставить между ними ловушку для масла. Иногда можно подобрать насосы так чтобы они использовали одинаковое масло, но тут всё определяется вашими потребностями и возможностями.

Что дальше

В процессе чистки в насосах обнаружились довольно приличные люфты. Вторая и последующие ступени “ездят” на паропроводе первой ступени на 1-2мм. Поиск в интернете не дал результатов, но на помощь пришли работники завода ВАКМА (он же Вакууммаш) и за это им огромное спасибо! Именно этот завод изготовил оба насоса в 1985-м году.

Оказалось, что в насосах нет регулировочных прокладок, позволяющих выставить нужные зазоры. В итоге паропровод первой ступени просто стоял на дне и, судя по всему, масло туда поступало не очень хорошо. При этом насос эксплуатировался много лет подряд.

Дальше будет выставление правильных зазоров, сборка насоса с ловушкой и вакуумным клапаном, проверка на герметичность и первый запуск. Но это уже будет в следующей статье. Надеюсь, что к тому времени поиск частей для моей системы тоже продвинется вперёд.

Что почитать

1. Цейтлин А.Б. Пароструйные вакуумные насосы — М.: Машиностроение, 1980.
2. Эксплуатация вакуумного оборудования / Кузнецов В. И., Немилов Н. Ф., Шемякин В. Е.; Под общ. ред. Р. А. Нилендера — М.: Энергия, 1978.
3. Закиров Ф. Г., Николаев Е. А. Откачник-вакуумщик — М.: Высшая школа, 1977.
4. Розанов Л. Н. Вакуумная техника: Учебник для вузов по спец. «Вакуумная техника». — 2-е изд., перераб. и доп. — М.: Высшая школа, 1990.
6. Вакуумная техника. Справочник / Фролов Е. С., Минайчев В. Е., Александрова А. Т. и д.р.; под общ. ред. Фролова Е. С., Минайчева В. Е. — М.: Машиностроение, 1985